서 론
연구방법
연구대상
광산배수처리 공정
측정 및 분석방법
파일럿 실험방법
경제성 분석
결과 및 고찰
유입수 수질 특성
중금속 및 SS 제거효율 평가
함수율 측정 결과
경제성 평가
결 론
서 론
산성광산배수(Acid Mine Drainage, AMD)는 광산의 황화광물이 물 및 산소와 반응하여 산화될 때 생성되는 산성수로, 전 세계적으로 심각한 환경오염 문제를 야기하고 있다(Skousen et al., 2019). 산성광산배수는 낮은 pH와 함께 Fe, Al, Mn 등 중금속을 고농도로 함유하고 있어 주변 수계 및 토양을 오염시키며, 생태계에 심각한 영향을 미친다(Naidu et al., 2019).
국내의 광산배수 처리방법은 크게 두 가지로 나뉘는데, 적극적 처리법(Active Treatment)와 소극적 처리법(Passive Treatment)로 구분할 수 있다(Wibowo et al., 2021, Trumm, 2010). 이중 적극적 처리법은 산화·중화 – 침전으로 알칼리성 화학물질(Ca(OH)2, CaO, NaOH 등)을 투입하여 pH를 상승시키고 금속 수화물을 침전시키는 방식이 가장 일반적이다(Skousen et al., 2019). 그러나 광산배수가 발생하는 국내 폐광산은 대부분 험준한 산악지형에 위치한다. 따라서 광산배수 처리를 위한 침전조 설치 부지 확보에 어려움이 있으며, 국내의 광산배수 오염수질개선사업 추진이 더딘 주요 이유로 볼 수 있다. 부지의 최소화를 위해 수처리 분야에서 많이 사용하는 멤브레인 적용을 검토할 수 있으나, 박막 파울링 발생 및 박막 세정·교체로 인한 경제성 문제 등으로 적용이 쉽지 않은 상태이다(Naidu et al., 2019).
기존 광산배수처리에 관한 연구는 침전공정 개선(Mackie and Walsh, 2015), 막분리 기반 고도처리(Nguegang and Ambushe, 2025), 부상분리 기술 적용(Mosai et al., 2024) 등을 중심으로 수행되어 왔다. 그러나 이런 연구들은 대부분 기존 공정의 일부 개선에 초점을 두고 있으며, 침전공정을 대체하는 방식의 실규모 검증 사례는 제한적이다. 또한 실험실 규모의 연구가 대부분이며, 실제 현장 적용을 위한 파일럿 규모의 실증연구가 부족한 실정이다.
광산배수 내 미세 부유물질 제거를 위한 응집–침전 공정의 최적화 연구에 따르면, 고분자 응집제를 이용한 응집·플록형성 공정은 미세입자를 20분 이내에 탁도 0 NTU 수준으로 처리할 수 있으며, 소규모 설비로도 처리가 가능한 장점이 있다(Jang et al., 2010). 또한 응집–침전 공정에 경사판(inclined plate)을 적용하면 부유물질 침전효율이 약 48% 향상되는 것으로 보고된 바 있으나(Oh et al., 2012), 부지 확보의 근본적인 문제는 해결되지 않음에 한계가 있다.
본 연구의 목적은 기존 침전공정을 여과분리공정으로 완전히 대체하는 모듈형 여과분리 시스템을 개발하고, 파일럿 규모 실증을 통해 그 효율성과 경제성을 검증하는 데 있다. 이를 통해 산악지형과 같은 협소한 부지에서도 효과적으로 산성광산배수를 처리할 수 있는 현장 적용이 가능한 대안 기술을 제시하고자 한다.
연구방법
연구대상
본 연구대상은 강원특별자치도 강릉시 강동면 산성우리에 있는 WR광산에서 발생되는 갱내수이다. WR광산의 폐광으로 인하여 지속적으로 발생되고 있는 오염 갱내수를 처리하기 위해 2003년 소극적 처리법을 적용한 자연정화시설이 설치되어 있으나, 시간 경과에 따른 정화효율 감소로 인해 적극적 처리법을 검토하고 있다. 산화·중화-침전을 적용한 실험 결과와 여과분리 공정을 적용한 실험 결과 비교를 통해 여과분리 공정을 적용한 산성광산배수 처리의 가능성을 평가하고자 하였다.
광산배수처리 공정
연구결과의 대조구인 기존의 산성광산배수 처리공정(산화·중화 – 응집 – 원형침전)은 아래의 Fig. 1로 대표할 수 있다. 산성광산배수가 유입되어 유출될 때까지의 체류시간(Hydraulic Retention Time, HRT, θ)은 5시간으로 설정하였다.
본 연구에서 진행된 광산배수 처리공정은 아래의 Fig. 2 및 Fig. 3과 같다. 산화·중화된 수산화물 형태의 플록을 조대화 하기 위해 폴리머 반응조를 급속, 완속응집조로 구분하여 반응시키고, 기존 광산배수 수질정화시설 부지의 대부분을 차지하던 원형침전조를 대체하여 벨트형 여과기, 레이크 여과기를 적용한 것이 특징이다. 기존 원형침전조는 체류시간이 4시간~6시간 정도로 설정되어 있으나, 여과기를 설치함으로써 체류시간이 없도록 설계하여, 전체공정의 체류시간이 1시간으로 설정되는 것이 특징이다. 또한 실험 중 결과 보완으로 인해 PVDF 소재의 0.1 µm의 공경을 가지는 분리막을 사용하여 배출허용기준을 만족하기 위해 추가시험을 수행하였다.
측정 및 분석방법
수질시료의 pH, ORP(Oxidation-Reduction Potential), 전기전도도(EC, Electric conductivity), DO(Dissolved Oxygen)는 Hach사의 HQ40d로 측정하였다. 2가 철의 농도는 Hach사의 HQ40d를 사용하여 phenanthroline method(APHA, 1995) 및 photometric method(Krawczyk and Gonglewski, 1959)에 따라 측정하였다. 용존 이온 분석용 시료는 0.45 µm 여과지로 여과한 후 45 mL 코니컬 튜브에 채수하였으며, 이중 양이온 분석용 시료는 흡착 및 침전을 방지하기 위해 농질산 1mL를 주입하였다. 채수한 시료는 분석 전까지 4℃에서 냉장 보관을 했으며, 용존 양이온 농도는 Varian 사의 ICP-OES(Varian 720-ES)를 사용하였고, 용존 음이온은 Metrohm사의 이온 크로마토그래피(Ion chromatography; Metrohm 850)를 사용하여 한국광해광업공단 기술연구소에서 분석하였다. 함수율은 ｢수질오염공정시험기준｣(NIER, 2025)의 퇴적물 함수율 측정방법을 적용하여 분석하였다. 시료를 증발접시에 담고 무게를 측정한 후 105~110℃ 이상 건조한 후 아래의 식 1을 적용하여 함수율을 계산하였다.
여기서 a, b는 각각 건조 전과 후의 시료 무게를 나타낸다.
파일럿 실험방법
WR광산 현장에서 발생하고 있는 산성광산배수를 전처리 없이 파일럿 테스트를 수행하였다. 산화·중화 – 원형침전으로 구성되어 있는 기존 산성광산배수 처리공법은 2020년 4월부터 3개월 동안 연속 실험하였고, 3회 샘플링을 실시하였다. 산화·중화 – 급속응집 – 완속응집 – 여과공정(벨트형 여과기 / 레이크 여과기 – 멤브레인)의 모듈형 여과분리 시스템은 2025년 10월부터 2개월 동안 연속 실험하였고, 2회 샘플링하였다. 파일럿 테스트 규모는 30 m3/d이다. 모든 실험에서 샘플링은 전체 공정 체류시간의 2~3 Cycle 이상 운전하였을 때 실시하였다. 중화반응은 20% 액상 소석회를 투입하여 pH 8.0으로 운영하였다. 응집반응에 사용된 폴리머는 Jar-test를 통해 선정되었으며, 양이온성 고분자 응집제 0.1%, 투입 비율 2 ppm으로 운영하였다. 실험에서 사용된 벨트형 여과기의 여과포는 체 거름망을 이용한 실내 실험을 통해 배수와 여과가 잘되는 PET(Polyethylene Terephthalate, PET) 재질의 80 mesh(0.18 mm)의 크기로 선정하였으며, 레이크 여과기의 레이크 간격은 0.75 mm로 설정하였다. 레이크 여과기의 제작한계로 현재 제작 가능한 장비 중 가장 작은 간격을 가졌다. 실험결과 중 SS가 높게 나오는 실험조건에 대해 막여과 공정을 적용하여 평가하였다. 막여과 공정에는 중공사막 형태로 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 재질의 0.1 µm의 공경을 가진 막을 사용하여 실험이 수행되었다.
본 연구는 파일럿 규모 현장 실증을 목적으로 수행되었으며, 현장 운전조건 및 장비 운용 일정에 따라 반복 실험 횟수에 제한이 있었다. 따라서 본 연구에서는 통계적 유의성 검정보다는 실제 운전조건에서의 처리 가능성 평가에 중점을 두었다.
경제성 분석
WR광산 현장에서 실시한 파일럿 테스트 결과를 바탕으로 기존 처리공법과 모듈형 여과분리 시스템(막여과 공정 포함)을 실제 현장에 1,200 m3/d 규모로 설치할 경우를 비교해 보았다. 이때 1,200 m3/d 규모는 한국광해광업공단에서 실시 중인 ｢와룡산업-와룡구룡탄광 수질개선사업 통합처리 실시설계용역｣에서 발췌한 내용이며, 경제성 분석 세부내역은 정부표준 품셈, ’25년 하반기 물가자료가 적용되어 비교되었다.
결과 및 고찰
유입수 수질 특성
WR광산의 갱내수 수질을 분석한 결과, pH는 3.23~3.76의 산성을 나타내었으며, Fe2+는 5.71~53.75 mg/L, 총 Fe는 41.48~83.05 mg/L, Al은 55.31~70.93 mg/L, Mn은 3.68~4.50 mg/L로 측정되었다. 이는 황화광물의 산화 분해로 인한 전형적인 AMD 수질 특성을 나타내며, 기존 연구에서 보고된 산성광산배수의 오염 특성과 일치한다(Skousen et al., 2019). 각 실험 조건별 유입수 수질의 차이는 강우 및 시기 등 자연적 조건 변화에 따른 것으로 보인다. 본 연구에서 수행한 두 가지 공정의 비교는 동일 시기에 실시되지는 못하였다. 그러나 광산배수 갱내수는 강우의 여부에 따라 크게 변동되는 특성이 크고, 실험 시기 차이에 대해 유입수질 분석상 큰 의미를 가지지는 않는 것으로 판단되어 공정 간 비교는 절대적인 성능 비교보다는 각 공정의 현장 적용 가능성 평가를 중심으로 해석하였다.
중금속 및 SS 제거효율 평가
3가지 중금속 및 SS 제거 효율을 비교한 결과는 Fig. 4와 같다.
Fig. 4(a)와 (b)에서 Fe2+ 제거율의 경우, 동일한 조건의 산화공정을 거쳤기에 모두 99% 이상의 높은 제거율을 달성하였다. 총 Fe 제거율 역시 벨트형 여과기(유입 68.12 mg/L → 유출 0.03 mg/L, ~100%), 레이크 여과기(유입 41.48 mg/L → 유출 0.31 mg/L, 99.3%), 원형침전조(유입 83.05 mg/L → 유출 0.03 mg/L, ~100%) 모두 99% 이상을 기록하였다. 이는 산화 – 중화 공정에서 Fe2+가 Fe(OH)3 형태의 수산화물로 플록이 형성된 후 여과분리 또는 침전 공정에서 효과적으로 제거되었기 때문이다(Wang et al., 2019). Al 제거율의 경우, 원형침전조(99.6%)가 가장 높았으며, 벨트형 여과기(98.2%), 레이크 여과기(94.6%) 순으로 나타났다. 레이크 여과기에서의 Al 제거율이 다소 낮은 것은 0.75 mm의 레이크 간격으로 인해 Al(OH)3 플록의 일부가 여과분리되지 않고 유출되었기 때문으로 볼 수 있다. 향후 레이크 여과기 운영 최적화와 후단 막여과 공정을 통해 제거효율 향상이 가능할 것으로 예상된다(Jang et al., 2010).
Fig. 4(a)와 (c)에서 Mn 제거율은 원형침전조(66.7%), 벨트형 여과기(60.7%), 레이크 여과기(47.3%) 순으로, 3가지 공정 모두에서 다른 금속 이온 대비 상대적으로 낮은 제거율을 보였다. 이는 산화 – 중화 조건(pH 8.0)에서 Mn2+의 수산화물 형성이 Fe 및 Al 대비 느리게 진행되는 것에 기인하며(Mackie and Walsh, 2015), 배출허용기준은 만족하지만(2 mg/L) Mn 완전 제거를 위해서는 추가적인 처리 공정(pH 9 이상 또는 산화제 투입)이 필요하다(Wu et al., 2025).
Fig. 4(d)의 SS 평균 유출 농도는 원형침전조 1.6 mg/L, 벨트형 여과기 7.5 mg/L, 레이크 여과기 247 mg/L로 나타났다. 원수 대비 제거율로는 표현하기 어려운 이유는 산성의 광산배수이므로 유입수에는 부유물질이 없기 때문이다. 원형침전조의 경우 4시간 이상의 침전을 통해 상등수만 유출이 되기에 배출허용기준(30 mg/L) 대비 안정적인 수질을 가질 수 있었다. 벨트형 여과기의 경우 배출허용기준을 만족하는 안정적인 수질을 가졌다. 응집반응으로 생성된 플록 크기(약 0.7 mm 이상)에 비해 작은 여과포 간격(80 mesh, 0.18 mm) 으로 인해 고액분리가 쉽고 빠르게 실시됨을 알 수 있었다(Park et al., 2024). 레이크 여과기의 경우 배출허용기준을 웃도는 결과를 나타내었다. 레이크 간격이 0.75 mm로 여과 간격이 상대적으로 크고 유속 및 미세플록의 발생으로 인해 레이크에 걸러지지 못하고 유출되는 플록으로 인해 낮은 효율을 가졌기 때문이다. 이러한 이유로 레이크 여과기의 경우 후단에 막여과 공정 등을 배치함으로써 안정적인 수질을 가질 수 있을 것으로 예상된다. 이에 본 연구에서 추가 배치 실험을 시행하였고, 이에 대한 결과는 아래 Table 1과 같다. 실험결과 운전 중 pH 조건(8.0) 변화폭이 기인하여 레이크 여과기 후단 배출수 망간농도가 배출수 허용 기준을 소폭 웃돌아 막여과 공정의 유입수로 진행되었으나, 망간을 제외한 다른 항목은 배출수 허용 기준을 만족하는 안정적인 수처리가 가능함을 확인하였다. 망간의 경우 추가적인 중화나 최초 중화 시 pH 조건을 상향하여 운전한다면(pH > 8.0) 안정적인 수처리가 가능할 것이다(Wu et al., 2025).
Table 1.
Result of Membrane Filtration Using Rake-type Effluent
| EC | SS | Fe | Al | Mn | ||
|
PVDF (0.1 µm) | unit | (mS/cm) | (mg/L) | |||
| Influent | 1,129 | 11 | N.D | 4.178 | 2.731 | |
| Effluent | 1,114 | 0 | N.D | 0.077 | 2.184 | |
함수율 측정 결과
아래의 Table 2는 3가지 경우의 고액분리를 수행한 공정에서의 슬러지 함수율을 분석한 결과이다.
Table 2.
Comparison of Sludge Water Content
| Belt Type | Rake Type | Circle Settling | |
| Water Content (%) | 99.0 | 95.0 | 98.8 |
레이크 여과기에서 발생한 슬러지의 함수율(95.0%)이 원형침전조(98.8%) 및 벨트형 여과기(99.0%)보다 현저히 낮게 나타났다. 이는 레이크 여과기에서의 물리적 여과 압착 메커니즘에 의해 슬러지 내 수분이 보다 효과적으로 제거된 것에 기인한다. 슬러지 함수율 감소는 슬러지 부피 저감으로 이어져 후속 슬러지 처리 및 운반비용 절감에 기여한다(Olivier and Vaxelaire, 2005). 벨트형 여과기의 경우 함수율이 원형침전조와 유사하게 높은 것은, 사용된 80 mesh 여과포의 특성상 중력에 의한 자연 여과 방식으로 인해 슬러지 압착 효과가 상대적으로 낮기 때문이다(Christensen et al., 2010). 벨트형 여과기는 짧은 체류시간으로 안정적인 수질을 가져오는 반면, 레이크 여과기는 후단에 막여과 공정을 필수적으로 추가해야 하지만 슬러지 함수율이 낮은 장점이 있으므로 이에 대한 장단점을 분석하여 광산배수 수질정화시설 설치를 고려할 필요가 있다고 판단된다.
위의 함수율 분석결과를 바탕으로 1,200 m3/d의 광산배수 수질정화시설을 운영한다고 가정할 때 슬러지발생량은 원형침전조 66.7 m3/d, 레이크 여과기를 사용한 모듈형 여과분리 시스템 16 m3/d이다. 이때 슬러지 발생량은 함수율 분석 결과를 바탕으로 고형물량이 동일하다고 가정하여 산정하였다. 폐기물 배출 허용기준인 80% 이하의 함수율을 만족하기 위해 탈수공정이 추가되어야 하지만 함수율이 선제적으로 감량되었기에 장점이 있다고 평가할 수 있고, 이는 경제성 평가에 포함되어 분석될 예정이다.
경제성 평가
Table 3, 4는 1,200 m3/d 규모의 광산배수 수질정화시설을 건설할 경우 필요한 설치 면적과 설치비용 및 운영비용을 나타낸 것이다. 이 경제성 평가는 2025년 하반기 기준으로 실시되었으며, 당시 물가자료 및 정부 표준품셈 등을 적용하여 실시되었다.
Table 3.
Comparison of Required Construction Area (1,200 m3/d Scale)
| unit | Belt․Rake Type | Circle Settling | Difference (%) | |
| Construction Area | m2 | 957 | 1,175 | –18.6 |
Table 4.
Economic Comparison of AMD Treatment Processes (1,200 m3/d Scale)
모듈형 여과분리 시스템은 957 m2의 부지가 필요하며, 원형침전조로 정화시설을 구성했을 때(1,175 m2) 대비 약 18.6% 의 부지절감 효과가 있는 것으로 나타났다. 안정적인 수처리 효율을 위해 모듈형 여과분리 시스템(벨트형 여과기, 레이크 여과기 포함)에는 막여과 공정을 추가하여 설치비용을 산정하였으며, 막여과 공정을 포함하더라도 설치비는 기존 원형침전조 대비 30.4% 절감되는 것으로 분석되었다. 또한 약품비, 인건비, 슬러지 처리비, 전력비로 구성되는 연간 운영비는 모듈형 여과분리 시스템이 연간 1,100백만 원으로 기존 원형침전조 공정(1,226백만 원) 대비 약 10.3% 절감되는 것으로 나타났다. 이는 수처리 과정에서 발생하는 슬러지의 함수율 저감에 따른 슬러지 발생량 감소 효과로 인해 처리대상 슬러지가 줄어들었기 때문이다. 모듈형 여과분리 시스템은 부지면적 최소화를 통한 토지 개발 비용 절감 효과뿐만 아니라, 산악지형에서의 토목공사 규모 축소에 따른 건설비 절감 효과도 기대할 수 있다(Trumm, 2010). 따라서 본 공정은 부지 확보가 어려운 산악지역이 대부분인 국내 광해방지사업대상지에서 경제적인 대안 공정으로 활용될 수 있을 것이다(Nguegang and Ambushe, 2025).
아래의 Table 5는 기존 침전공정과 모듈형 여과분리 시스템의 종합적인 비교를 나타낸 것이다. 다른 성상의 광산배수를 대상으로 추가적인 검증이 필요하나, WR광산 갱내수를 대상으로 아래와 같은 장단점이 있음을 종합적으로 비교할 수 있다.
Table 5.
Overall Comparison of Conventional and Modular AMD Treatment Process
결 론
본 연구에서는 기존 원형침전조 대신 레이크 여과기 및 벨트형 여과기를 적용한 모듈형 여과분리 시스템을 개발하고, WR광산에서의 파일럿 규모(30 m3/d) 실증을 통해 처리 성능 및 경제성을 평가하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 레이크 여과기 및 벨트형 여과기를 적용한 모듈형 여과분리 시스템은 중금속 제거에 있어 기존 원형침전조와 유사한 광산배수 처리성능을 나타내었다. 3가지 공정 모두 Fe2+ 및 총 Fe에 대해 99% 이상, Al에 대해 94% 이상의 제거율을 달성하였으며, 기존 체류시간인 5 h 보다 80% 단축된 1시간 이내에 처리되는 효과를 확인하였다. 이는 동일 처리용량 기준 시설 규모를 크게 축소할 수 있음을 의미한다. Mn 제거율은 3가지 공정 모두에서 47~67%로 다른 금속 이온에 비해 상대적으로 낮게 나타났으며, 이는 현 운영 pH 조건에서의 Mn2+ 산화·중화 한계에 기인한다. 향후 Mn 제거율 향상을 위한 추가 중화공정이 필요하다. 레이크 여과기는 단독 적용 시 SS 제거효율이 부족하였으나, 후단에 막 여과 공정을 적용함으로써 배출수 허용기준을 만족하는 안정적인 처리수지리 확보가 가능해졌다. 또한 기존 침전공법 대비 설치면적, 설치비 및 운영비 감소 등의 효과를 기대할 수 있다.
(2) 슬러지 함수율은 레이크 여과기(95.0%)가 원형침전조(98.8%) 및 벨트형 여과기(99.0%)에 비해 현저히 낮아, 슬러지 발생량 감소 및 후처리 비용 절감 측면에서 유리한 것으로 나타났다. 또한 낮은 슬러지 함수율로 인해 광산배수 슬러지의 재활용 등 광산배수 슬러지의 탈수 및 재활용 가능성을 발견하였다.
(3) 경제성 분석 결과, 모듈형 여과분리 시스템은 후단에 막여과 공정을 추가했음에도 불구하고 기존 원형침전조 대비 설치면적 18.6% 감소, 설치비 30.4% 절감, 연간 운영비 10.3% 절감이 가능한 것으로 분석되었다. 이는 부지 확보가 어려운 국내 산악지형의 폐광산 현장에서의 적용 가능성을 뒷받침한다.
(4) 본 연구를 통해 여과분리공정을 적용한 모듈형 시스템이 실제 광산배수 현장에서 파일럿 규모 조건에서의 적용 가능성이 검증되었다. 이를 통해 산악지형이 대부분인 국내 폐광산 오염수질개선 사업추진에 있어 적용기술의 새로운 대안으로 활용될 수 있음을 확인하였다.
